腱板断裂の有限要素モデリングと強度測定試験
先進的解析のための腱板断裂の有限要素モデリング
最近、整形外科研究学会（ORS）で発表された研究では、腱板の有限要素（FE）モデリングについて議論されました。一般的な肩の損傷である腱板断裂の理解と治療は、棘上筋腱の複雑な構造のために困難です。本研究では、CellScale Univertシステムと有限要素モデリングを用いて、様々な条件下での小・中型RC断裂の内部ひずみを評価することを目的としました。両ツールは、腱の力学的挙動をシミュレーションするために使用されます。
この研究により、腱のひずみは断裂の大きさとともにエスカレートしていくが、多くの日常活動や特定のリハビリ運動は、断裂の進行を悪化させるひずみの閾値以下であることが明らかになり、RC損傷者に対する安全性が確認されました。この研究は、臨床の場で患者固有のFEモデリングを使用することで、RC断裂の進行リスクをよりよく理解し、管理することができることを示唆しており、断裂の大きさや肩の腱にかかる特定のひずみに基づいて、リハビリ運動を調整することの重要性を強調しています。
腱板断裂の病態の理解と管理
肩の痛みは、プライマリ・ケアにおける筋骨格系の愁訴の中で第3位と、一般的な問題として際立っています。腱板断裂（RC断裂）は人口の約23％が罹患しており、その中でも重要な疾患である。RC断裂の多くは無症状で始まりますが、最終的には36％が痛みを伴うようになります。これらの断裂を理解し、効果的に治療することは、棘上筋腱の複雑な構造と力学のために困難が伴います。
有限要素（FE）モデリングは、棘上筋腱の力学的挙動に関する重要な洞察を研究者に提供し、生体内で観察することが困難な状態の評価に役立ちます。組織の変形を予測するこれらのモデルの精度は、その臨床的妥当性にとって極めて重要です。腱は、コラーゲン繊維のリクルートと配列により、超弾性応答を示します。この研究の中心的な目的は、典型的な活動や運動中の小・中型RC断裂の内部ひずみを解析し、断裂の進行の評価を強化することです。
棘上筋腱損傷の特徴づけとモデル化
RI州にあるMedcure社から、平均年齢65±9歳の新鮮な無傷のヒトの肩を6つ、細心の注意を払って入手しました。これらの肩は、腱板断裂、擦り切れ、剥離がないことを確認するため、徹底的な検査を受けました。棘上筋、棘下筋、肩甲下筋を除く皮膚と筋の除去に続き、棘上筋腱の詳細な分離が行われました。
その後、腱を挿入部位の上腕骨頭から切り離し、前部、中部、後部に綿密に分割し、さらに内側、外側、関節部、滑液包部に分割しました。各腱領域の機械的特性は、カナダのオンタリオ州にあるCellScale社のUniVertシステムを用いた一軸引張試験によって評価しました。
機械的試験後、10μmの薄切片を250μm間隔で採取し、マッソン三色染色し、明視野顕微鏡（オリンパスVS120）を用いて画像化し、コラーゲンの配向性を評価しました。
FEモデルのための腱部位の特徴付けのために、コラーゲンの配向と応力-ひずみ曲線は、軟部組織のHolzapfel-Gasser-Ogdenモデルを適合させるための入力となり、FEモデリングに不可欠な材料パラメータを決定しました。確立された棘上筋-棘下筋モデルの形状を利用し、腱板断裂の起始に関連する部位である棘上筋腱の後3分の1において、小断裂と中断裂を含む三日月状の断裂のシミュレーションを行いました。
本研究では、棘上筋と棘下筋に焦点を当て、日常活動やリハビリテーション運動中に利用される最大随意収縮（MVC）の割合を正確に決定することを目的としました。この分析により、筋の利用パターンに関する包括的な洞察が得られ、動作の理解が深まります。
腱断裂の分析
図1に示すように、腱の関節側と滑液側の最大主ひずみを断裂先端部の正確な前縁と後縁で綿密に測定しました。
これまでの患部実験では、26.1±9.4％がひずみの破壊閾値として示唆されており、中型の断裂では伏臥位外転時の40％および50％で断裂が進行するリスクがあることを示していました。外旋時のひずみレベルは26.1％以下であり、リスクは低いです。タイピング、飲酒、歯磨きなどの日常生活では、ひずみレベルは16.7％未満に保たれており、断裂の進行の原因になりにくいことを示してい ます。
ディスカッションのテーマ
有限要素(FE)モデリング法は、腱板(RC)が経験する複雑な内部ひずみに関する重要な洞察を提供し、生体内測定では明らかにならない詳細を明らかにします。このような内部力学を理解することは、断裂が進行しやすい患者を早期に特定するために極めて重要です。
理学療法は、小～中型のRC断裂に対しては75％という驚異的な成功率を誇っていますが、断裂が悪化し症状が持続するにつれて課題に直面します。特定の腱のひずみに合わせてリハビリテーションのプロトコルを調整し、断裂の大きさやかかる負荷を考慮した個別のケアプランを作成することで、医療専門家は断裂の進行リスクを効果的に軽減し、患者の転帰を向上させることができます。個々のニーズに合わせて介入をカスタマイズすることで、医療従事者はRC断裂の管理を最適化し、患者の回復を向上させることができます。
患者別モデリングとリハビリテーション戦略
各患者の特徴に合わせた仮想モデルを作成する患者別有限要素モデリングは、断裂の進行リスクを評価する上で臨床的に価値があることが証明されています。個々の材料特性と特定の涙の特徴を考慮することで、このアプローチは経時的な涙の進展の予測精度を高めます。これらの研究結果は、現在の軽度腱板断裂のリスク管理戦略に、個人に合わせた評価を取り入れることの重要性を強調するものです。
しかし、これらの洞察をより深く掘り下げるためには、断裂特性のさらなる探求と、中程度の断裂に対するリハビリテーション負荷の適用に関する包括的な分析が不可欠です。このような理解を深めることで、患者の転帰とリハビリテーションの成功を最適化するための、最も効果的で個人に合わせたエクササイズを特定することができます。
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オレンジサ イエンスが取り扱うその他の製品
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CellScale／セルスケール社
Mechano Cultureシリーズの機械的刺激培養装置はモデルにより、360度伸展、シリコンチャンバー伸展、マテリアル伸展、流体圧縮、機械的圧縮＋データ測定、マテリアル伸展＋データ測定が可能です。
STREX／ストレックス社
独自のシリコンチャンバーを伸展させることにより、チャンバー上の細胞に伸展刺激を与えることが可能です。顕微鏡搭載モデルは、倒立顕微鏡での伸展細胞の観察も可能です。
IonOptix／イオンオプティクス社
C-Stretchシステムはシリコンチャンバーを採用した伸展培養装置です。C-Pace EMシステムと使用することにより、伸展刺激と同時に、電気刺激を与えることも可能です。
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